便攜式電子產(chǎn)品的電路保護(hù)

電路保護(hù)是設(shè)計(jì)的重要工作

　　在電子產(chǎn)品中最重要的設(shè)計(jì)工作是電路設(shè)計(jì)。電路可分為兩類：功能電路和保護(hù)電路。功能電路（如電源電路、振蕩器電路、A/D變換電路等）是用來(lái)實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品各種功能的；而保護(hù)電路（過(guò)流保護(hù)電路、過(guò)壓保護(hù)電路及過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)電路）是用來(lái)保護(hù)功能電路，以實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的安全性、可靠性及耐用性的。

　　近年來(lái)，便攜式電子產(chǎn)品發(fā)展迅速，如MP3、MP4、PMP、DVD、數(shù)碼相機(jī)及攝像機(jī)，筆記本電腦、上網(wǎng)本（一種小型筆記本電腦）和智能手機(jī)等。這些便攜式電子產(chǎn)品的主要特點(diǎn)是功能多、電路復(fù)雜、工作頻率高、頻帶寬、信號(hào)傳輸率高，并且體積?。ㄈ坎捎肧MD元器件），這對(duì)電路保護(hù)提出了更高的設(shè)計(jì)要求。在手機(jī)、筆記本電腦一類便攜式電子產(chǎn)品中，由于其工作頻率高、頻帶寬、要求高數(shù)據(jù)傳輸速率，電路保護(hù)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣就不僅涉及電子產(chǎn)品的安全性、可靠性和耐用性，同時(shí)也涉及到電子產(chǎn)品的性能質(zhì)量及成本。所以，電路保護(hù)是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要工作。

電路保護(hù)的重要性

　　現(xiàn)在的便攜式電子產(chǎn)品中，電路保護(hù)的范圍極寬，數(shù)量也多。這里舉兩個(gè)典型便攜式電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)明電路保護(hù)的重要性。

1 手機(jī)

　　手機(jī)的發(fā)展從單一的通話到能實(shí)現(xiàn)聽(tīng)音樂(lè)、拍照、上網(wǎng)、看電視、GPS等功能的智能手機(jī)，電路愈加復(fù)雜，而相應(yīng)的保護(hù)電路范圍也不斷擴(kuò)展。圖1是手機(jī)中需要保護(hù)的各個(gè)部位。

　　圖1 手機(jī)中需要保護(hù)的部件

2 筆記本電腦

　　筆記本電腦已成為一種時(shí)尚的便攜式電子產(chǎn)品，最近開(kāi)發(fā)出的“上網(wǎng)本”更受到年輕人的青睞。筆記本電腦比手機(jī)更復(fù)雜，其需要保護(hù)的部件范圍更廣（見(jiàn)圖2）。

　　圖2 筆記本電腦中需要保護(hù)的部件

　　這里要說(shuō)明的是，圖1及圖2中的便攜式電子產(chǎn)品還不是最新的產(chǎn)品，但也能看出來(lái)電路保護(hù)的范圍之廣及數(shù)量之多，可見(jiàn)保護(hù)電路在這些產(chǎn)品中的重要性。

　　正是這些保護(hù)元器件才實(shí)現(xiàn)了電子產(chǎn)品的安全性、可靠性和耐用性，并且減少了用戶的維修次數(shù)、維修費(fèi)用及設(shè)有手機(jī)及筆記本電腦對(duì)工作帶來(lái)的影響。

保護(hù)元器件的種類及工作原理

　　保護(hù)元器件分為三類：過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)及過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)。它們的基本工作原理如下。

　　1、過(guò)流保護(hù)

　　過(guò)流保護(hù)元件是一種非線性正溫度系數(shù)熱敏電阻（PPTC），如圖3所示。一旦有過(guò)流狀態(tài)出現(xiàn)，過(guò)大的電流讓保護(hù)元件發(fā)熱使阻值發(fā)生變化，由低阻態(tài)躍變?yōu)楦咦钁B(tài)，從而限制電流，使被保護(hù)的電路免受過(guò)流損壞；在過(guò)流故障排除后，保護(hù)元件冷卻，自動(dòng)由高阻態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥钁B(tài)，恢復(fù)正常工作。這種保護(hù)元件稱為自復(fù)式過(guò)流保護(hù)元件，如泰科電子公司的PolySwitchTM元件。

　　圖3 PolySwitchTM元件工作電路

　　2、過(guò)壓保護(hù)

　　過(guò)壓保護(hù)元器件并聯(lián)在被保護(hù)的電路上（見(jiàn)圖4）。在輸入電壓未過(guò)壓時(shí)，過(guò)壓保護(hù)元器件呈高阻態(tài)，其泄漏電流甚微；一旦輸入電壓過(guò)壓時(shí)，過(guò)壓保護(hù)元器件在瞬間提供低阻抗通路，并將電壓鉗位于安全的低電壓，從而保護(hù)電路免受過(guò)壓損害。當(dāng)輸入電壓降落到正常工作電壓時(shí)，過(guò)壓保護(hù)元器件會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到高阻態(tài)。泰科電子公司的多層壓敏電阻（MLV）及ESD保護(hù)元件PESD就是常用的過(guò)壓保護(hù)元件。

　　圖4 過(guò)壓保護(hù)元件工作電路

　　3、過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)

　　過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)器件是過(guò)流保護(hù)元件與過(guò)壓保護(hù)元件組成的模塊（集成電路），如圖5所示。它能在輸入電壓過(guò)壓或由于短路造成過(guò)流故障時(shí)，保護(hù)電路不受損害。

　　圖5 過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)器件工作電路

　　泰科電子公司的PolyZenTM元件就是常用的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)器件。

便攜式產(chǎn)品的保護(hù)元器件的特點(diǎn)

　　為滿足便攜式電子產(chǎn)品對(duì)保護(hù)元器件的要求，保護(hù)元器件應(yīng)具有下述特點(diǎn)。

　　1、性能

　　● 響應(yīng)時(shí)間要短；
　　● 自身的功耗要小，可延長(zhǎng)電池壽命；
　　● 性能穩(wěn)定，并且壽命長(zhǎng)；
　　● 不影響被保護(hù)電路的性能；
　　● 滿足對(duì)環(huán)境的要求（無(wú)鉛，符合RoHs規(guī)范）。

　　2、封裝及尺寸

　　● 貼片式（SMD）封裝，滿足SMT要求；
　　● 封裝尺寸?。ㄕ糚CB面積?。┘捌拭娓叨刃?。

　　3、其他

　　● 可以采用回流焊焊接工藝；
　　● 價(jià)格低，降低產(chǎn)品成本。

PolySwitchTM元件及其應(yīng)用電路

　　PolySwitchTM元件是一種自復(fù)式聚合物非線性正溫度系數(shù)（PPTC）熱敏電阻。泰科電子公司在1995年就開(kāi)發(fā)了貼片式 miniSMDTM過(guò)流保護(hù)元件，近年來(lái)又開(kāi)發(fā)出microSMDTM、nanoSMDTM及picoSMDTM等尺寸更小的系列。另外，在miniSMDTM系列中增加了24V、60V的新品種及在microSMDTM系列中增加了2.0A的品種。

　　PolySwitchTM元件的主要參數(shù)：在未過(guò)流時(shí)，其電阻值很?。ú煌念~定電壓下阻值不同，一般為零點(diǎn)幾Ω到幾Ω）；在過(guò)流發(fā)生時(shí)，其電阻值可達(dá)mΩ，電流極小接近“斷開(kāi)”，且斷開(kāi)時(shí)間（time-to-trip）更短。

　　該元件的封裝尺寸??；電流為0.05～3A；電壓為6～60V；常態(tài)時(shí)阻值??；通過(guò)UL、CSA及T哣論證。

　　該元件應(yīng)用范圍極廣，主要為計(jì)算機(jī)、便攜式電子產(chǎn)品、多媒體、游戲機(jī)、移動(dòng)電話，同時(shí)也適用于汽車(chē)、工業(yè)控制及電池等。

　　圖6 用PolySwitchTM元件實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)

　　PolySwitchTM元件在便攜式電子產(chǎn)品適配器（外接電源）中的過(guò)流保護(hù)如圖6所示。圖中結(jié)構(gòu)用了兩個(gè)PolySwitchTM器件，可防止短路時(shí)損壞適配器。

　　圖7 用PolySwitchTM元件對(duì)充電器進(jìn)行保護(hù)

　　充電器是便攜式電子產(chǎn)品中是必要的附件，圖7是充電器中PolySwitchTM元件的應(yīng)用。圖7中的虛線框內(nèi)是電池組，PolySwitchTM元件在其中作充、放電過(guò)流保護(hù)。

MLV、PESD及其應(yīng)用電路

　　MLV、PESD都是過(guò)壓保護(hù)元器，它們除用過(guò)壓保護(hù)外，也是靜電放電（ESD）保護(hù)元件。在插拔便攜式產(chǎn)品的各種插頭時(shí)，各端口很容易受到靜電放電的損壞，因此插拔端口都需要加ESD保護(hù)元器件。

　　在傳輸信號(hào)的端口上增加ESD保護(hù)元器可以防止靜電放電的損害，但由于ESD保護(hù)元器自身有一定的電容，在高速信號(hào)傳輸過(guò)程中，會(huì)造成信號(hào)的衰減及失真。所以，高速數(shù)據(jù)傳輸端口的ESD保護(hù)元器件的正確選擇十分重要。

　　MLV的電容量較大（40～220pF），主要用于直流及數(shù)據(jù)傳輸率較低的端口。但MLV中的“E”系列，其電容量較小，僅3～12pF，可以適用于較高的數(shù)據(jù)傳輸速率的端口作ESD保護(hù)。

　　PESD是專門(mén)為高數(shù)據(jù)傳輸率端口作ESD保護(hù)所開(kāi)發(fā)的保護(hù)元件。由于它的電容量極低（0.25pF），所以能滿足IEEE1394及HDMI1.3的要求，在高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)滿足了信號(hào)傳輸質(zhì)量。因此在高清電視、LCD等離子電視、筆記本電腦和手機(jī)等產(chǎn)品中都采用PESD作ESD保護(hù)元件。

　　圖8 PESD的抑制特性曲線

　　ESD的主要特性：泄露電流要小，響應(yīng)時(shí)間要短（<1ns），相位電壓要低，電容量要小。

　　PESD有倆種型號(hào)：PESD0603-240及PESD0402-140，其電氣特性如表1所示，其抑制特性曲線如圖8所示。

　　ESD元件最重要的參數(shù)是電容量。一般MLV的電容量是40～220pf，E系列的電容量是3～12pf；而PESD的電容量?jī)H為0.25pf。

　　圖9 2.25GHz下的ESD保護(hù)元件眼圖

　　圖10 3.4GHz下的PESD眼圖

圖11 顯示端口保護(hù)電路

　　不同工作頻率及要求ESD保護(hù)元件的電容量關(guān)系如表2所示。常用的ESD保護(hù)元件比較如表3所示。

　　采用硅ESD保護(hù)元件在2.25GHz時(shí)的眼圖如圖9所示，而采用PESD元件在3.4GHz時(shí)的眼圖如圖10所示，這兩圖的比較說(shuō)明了PESD的優(yōu)良性能。

　　圖11是一種典型的顯示端口保護(hù)電路。2.7GHz的高頻信號(hào)線采用8個(gè)PESD保護(hù)元件，輔助通道工作頻率為1MHz，采用5個(gè)MLV保護(hù)元件；在低壓直流電源中則采用了PolySwitchTM元件作過(guò)流保護(hù)。這樣的設(shè)計(jì)既滿足電路能耗要求，并且降低了成本。
 

 
　　圖12 USB2.0接口保護(hù)電路

圖13 IEEE1394接口保護(hù)電路

　　圖12及圖13分別是USB2.0接口電路的保護(hù)電路設(shè)計(jì)及IEEE1394接口電路的保護(hù)電路設(shè)計(jì)。
 

PolyZenTM元件及其應(yīng)用電路

　　PolyZenTM元件器件是由精密齊納二極管和聚合物正溫度系數(shù)（PPTC）元件組合而成的集成電路。它是用于防止感應(yīng)尖峰電壓、瞬間高電壓、錯(cuò)用電源適配器對(duì)電路產(chǎn)生過(guò)壓、過(guò)流危害的保護(hù)器件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖14所示。其典型應(yīng)用電路如圖15所示。在圖15中，RLOAD為被保護(hù)的下游電路。 
 

　　圖14 PolyZenTM元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖15 PolyZenTM元件典型應(yīng)用電路
 
　　在正常工作時(shí)，VIN輸入電壓高于齊納二極管的擊穿電壓VZ，有IFLT電流經(jīng)齊納二極管到地，VOUT輸出穩(wěn)定的電壓。有不正常的過(guò)壓輸入VIN時(shí)，則齊納二極管的IFLT會(huì)產(chǎn)生過(guò)流，當(dāng)器件上有過(guò)流時(shí)，其電阻由低阻態(tài)瞬變到高阻態(tài)，使在其上的壓降大增，VOUT輸出基本不變，而流過(guò)齊納二極管的電流IFLT反而減小，如圖16所示。器件上電壓降的增大既保護(hù)了齊納二極管，又保護(hù)了下游的電路。另外，若被保護(hù)的下游電路中存在有局部短路或短路故障時(shí)，IOUT會(huì)增加，PPTC元件由低阻態(tài)變成高阻態(tài)，可使電路得到過(guò)流保護(hù)。

　　在正常工作時(shí)，VIN輸入電壓高于齊納二極管的擊穿電壓VZ，有IFLT電流經(jīng)齊納二極管到地，VOUT輸出穩(wěn)定的電壓。有不正常的過(guò)壓輸入VIN時(shí)，則齊納二極管的IFLT會(huì)產(chǎn)生過(guò)流，當(dāng)器件上有過(guò)流時(shí)，其電阻由低阻態(tài)瞬變到高阻態(tài)，使在其上的壓降大增，VOUT輸出基本不變，而流過(guò)齊納二極管的電流IFLT反而減小，如圖16所示。器件上電壓降的增大既保護(hù)了齊納二極管，又保護(hù)了下游的電路。另外，若被保護(hù)的下游電路中存在有局部短路或短路故障時(shí)，IOUT會(huì)增加，PPTC元件由低阻態(tài)變成高阻態(tài)，可使電路得到過(guò)流保護(hù)。
 

 
圖16 PolyZenTM元件工作時(shí)的電壓或電流變化

　　該器件的主要特點(diǎn)：保護(hù)下游電子元器件免受過(guò)壓及反向偏壓的損害（例如5V的適配器錯(cuò)用了12V的適配器或極性接反）；由于PPTC元件的作用，減少了齊納二極管散熱的要求，減小占PCB的面積及降低成本；在過(guò)壓故障時(shí)，VOUT輸出基本不變；齊納二極管的耐受能量大，可達(dá)30W；小尺寸貼片或4mm×4mm封裝。
該器件主要應(yīng)用于便攜式多媒體播放器（PMP）、GPS、5V和12V硬型驅(qū)動(dòng)器的總線保護(hù)、USB5V總線保護(hù)等。

　　該器件有9個(gè)品種，其電氣特性如表4所示。其中，ZEN132V230A16LS及ZEN056V075ALS是即將上市的新產(chǎn)品。

結(jié)語(yǔ)

　　由于電路保護(hù)元器件看起來(lái)是一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的元器件，往往不被人重視。在眾多電路書(shū)籍中，沒(méi)有介紹保護(hù)電路或僅介紹幾種老產(chǎn)品（如保險(xiǎn)絲、氧化鋅壓敏電阻及TVS），這方面的技術(shù)書(shū)籍跟不上產(chǎn)品的發(fā)展的需要，所以資料的來(lái)源主要是電路保護(hù)元器件生產(chǎn)廠商的數(shù)據(jù)資料及應(yīng)用指南。

　　由于篇幅所限，本文僅簡(jiǎn)單地介紹了泰科電子公司幾種應(yīng)用在便攜式電子產(chǎn)品中的保護(hù)原器件。另外，保護(hù)元器件的應(yīng)用范圍極寬，除便攜式電子產(chǎn)品外，還有通信、汽車(chē)、醫(yī)療儀器、家用電器、工業(yè)控制等領(lǐng)域。